MINIMODULES VOOR 3 VWO

Transcriptie

1 MINIMODULES VOOR 3 VWO Bioethanol Complex rekenen Cryptografie Digitaal! Evolutie van het oog Forensisch onderzoek Fractals Grafentheorie Navigatie Zonne-energie Ontwikkeld voor Door Jeroen Borsboom Hans van Dijk Arjan de Graaff Jeroen Heilig Peter Keeven Nicole de Kleijn Wim Launspach Henk Ubbels De Praktijk Wessel van de Hoef

2 Auteurs: Jeroen Borsboom, PSG Jan van Egmond, Purmerend De Praktijk, Amsterdam Hans van Dijk, Pieter Nieuwland College, Amsterdam Arjan de Graaf, Bonhoeffer College, Castricum Jeroen Heilig, Petrus Canisius College, Alkmaar Peter Keeven, Keizer Karel College, Amstelveen Nicole de Kleijn, Fons Vitae Lyceum Wim Launsspach, Hermann Wesselink College, Amsterdam Henk Ubbels, Oscar Romero, Hoorn Zonne-energie Grafentheorie Fractals, Digitaal! Navigatie Complex rekenen Forensisch onderzoek Cryptografie De evolutie van het oog Bioethanol Eindredacteurs: Hans van Dijk Wessel van de Hoef Pieter Nieuwland College, Amsterdam Amstel Instituut, Amsterdam Fons Vitae Lyceum, Amsterdam Amstel Instituut, Amsterdam Blz. 2

3 Beste leerling, Dit jaar een profiel kiezen, met nieuwe vakken? De komende lessen maak je kennis met een stukje wiskunde dat niet in de schoolboeken staat: Cryptografie. Als je een natuurprofiel (natuur en gezondheid of natuur en techniek) kiest, krijg je misschien de gelegenheid ook het vak Wiskunde D te kiezen. Cryptografie is een onderdeel dat bij wiskunde D aan de orde kan komen. Belangrijk is in ieder geval dat de manier van denken in deze lessen overeenkomt met wat er bij wiskunde D van je verwacht wordt. In deze minimodule maak je kennis met een aantal geheimschriften en je leert coderen, decoderen en kraken. Je werkt in tweetallen samen, je codeert berichten voor elkaar en decodeert ze ook. Samen ga je proberen geheimschriften te kraken. Alle minimodules hebben dezelfde opbouw, wat het werken ermee vergemakkelijkt. Je zal in de modules veel icoontjes tegenkomen. Deze icoontjes hebben de volgende betekenis: : Leestekst : Achtergrondinformatie : Opdracht : Practicumhandeling : Internetopdracht We wensen je veel plezier bij het maken van deze minimodule. Hopelijk vind je de inhoud van deze minimodule leuk en interessant genoeg om in ieder geval een natuurprofiel te kiezen en misschien wel wiskunde D. Er is ook een bijlage aanwezig met hulptabellen, vergeet deze niet te gebruiken! De auteurs Blz. 3

4 Inhoudsopgave Hoofdstuk 1 Mono-alfabetische substitutie Blz Cijfercode Blz Caesar code Blz Atbash code Blz Versleutelen met een zin Blz. 7 Hoofdstuk 2 Poly-alfabetische substitutie Blz De Vignere methode Blz Het Vernam systeem Blz. 11 Hoofdstuk 3 Tot slot Blz. 12 Bijlage Hulptabellen Blz. 13 Studieplanner Les Datum Stof k/z *1) Omschrijving 1 Hst. 1 k/z Lees de tekst en doe de opdrachten in tweetallen. 2 Hst. 2 z Lees de tekst en doe de opdrachten in tweetallen 3 Hst. 3 z Evaluatie *1) k = klassikaal, z = zelfstandig Blz. 4

5 Hoofdstuk 1 Mono-alfabetische substitutie Een mono-alfabetische substitutie is een versleuteling waarbij elke letter in het alfabet op dezelfde manier wordt vervangen door een letter of een cijfer. We bekijken hier 4 soorten mono-alfabetische substituties. 1.1 Cijfercode Van dit geheimschrift heeft iedereen wel eens gehoord. Je geeft aan elke letter in het alfabet het getal mee van de positie van de letter in het alfabet. Zie de tabel hieronder: N O P Q R S T U V W X Y Z Het is eenvoudig berichten om te coderen en ook om te decoderen. Deze code lichten we niet verder toe. Veel mensen hebben van deze code gehoord en daardoor is hij ook eenvoudig te kraken. 1) Schrijf het vak Wiskunde D als een cijfercode volgens bovenstaande tabel. 1.2 Caesar code Deze code werd in de Romeinse tijd door Caesar gebruikt om berichten te versturen. Om een bericht te coderen werden alle letters van het alfabet 3 plaatsen opgeschoven. Om dan vervolgens een bericht te decoderen werden de letters weer 3 plaatsen teruggeschoven. Zie de tabel hieronder: D E F G H I J K L M N O P N O P Q R S T U V W X Y Z Q R S T U V W X Y Z A B C Later is deze code ingewikkelder gemaakt door ook de spatie mee te laten doen als de 27 e letter in het alfabet en door alle letters tegelijk een willekeurig aantal plaatsen (in plaats van 3) te laten verschuiven. Het aantal plaatsen dat verschoven wordt is dan bekend bij de zender en de ontvanger. Blz. 5

6 2) Codeer een zelf bedachte zin met behulp van Caesar code. Verschuif de letters 7 plaatsen en laat de spatie meedoen als 27 e letter in het alfabet. Vul eerst de hulptabel in op de bijlage. Schrijf hieronder je gewone en je gecodeerde zin op: 3) Verzend de gecodeerde zin uit opdracht 2 aan je buurman/-vrouw en ontvang zijn/haar zin. Decodeer hieronder zijn/haar zin. 4) Deze manier van coderen is niet erg veilig, want met een beetje proberen is er snel achter de verschuiving te komen. Hoeveel verschuivingen moet je maximaal proberen om een Caesar code te kraken? 5) Ontcijfer samen met je buurman/-vrouw de volgende tekst, die gecodeerd is met een willekeurige Caesar code en waarbij de spatie meedoet als 27 e letter in het alfabet. Gebruik hierbij de hulptabel van de bijlage. De zin luidt: Yw nwmvdnvq mhjjmzvzjjmvxmpopnv ivywnndpn De ontcijferde zin luidt: 1.3 Atbash code Deze code is bekend van de Da Vinci Code. De Atbash code spiegelt de letters van het alfabet. Zie de tabelhieronder: Z Y X W V U T S R Q P O N Ook deze code is niet moeilijk te kraken, omdat de letters van het alfabet nog in volgorde staan. Je kunt hetzelfde te werk gaan als bij de Caesar code. Blz. 6

7 1.4 Versleutelen met een zin Je kunt ook de letters van het alfabet vervangen met behulp van een zin. Dan wordt het alweer moeilijker om de code te kraken. Je bedenkt dan als sleutel een zin, bijvoorbeeld: Deze zin ga ik versleutelen. Dan zet je de verschillende letters van deze zin achter elkaar: Dezingakvrslut. Je vervangt deze letters met het begin van het alfabet en de overige letters komen er dan in alfabetische volgorde achter. Zie de volgende versleutelingstabel: D E Z I N G A K V R S L U N O P Q R S T U V W X Y Z T B C F H J M O P Q W X Y 6) Codeer een zelf bedachte zin met behulp van een met je buurman/vrouw afgesproken sleutelzin. Laat de spatie buiten beschouwing. Gebruik de hulptabel van de bijlage. De gewone zin luidt: De gecodeerde zin luidt: 7) Verzend de gecodeerde zin uit opdracht 6 aan je buurman/-vrouw en ontvang zijn/haar zin. Decodeer zijn/haar zin. De gedecodeerde zin van mijn buurman/-vrouw was: 8) Verzend één van jullie zinnen aan een ander groepje en ontvang een zin van een ander groepje. Probeer de zin te kraken zonder dat je de sleutelzin weet. De ontvangen gecodeerde zin is: De gedecodeerde zin is: De code is moeilijk te kraken als je de sleutelzin niet weet. Ook als je weet dat een bericht is gecodeerd met behulp van een mono-alfabetische substitutie, maar je weet niet welke, is het moeilijk te kraken. Wat dan zou kunnen in zo n geval is een frequentie-analyse. Als de gecodeerde tekst maar lang genoeg is, dan kan je tellen hoe vaak elke letter voorkomt. De letter die het meeste voorkomt zal dan de e zijn. Degene die daarna heeft meeste voorkomt de n, enzovoorts. Blz. 7

8 De volgende letters kies je dan aan de hand van de volgende frequentietabel waarin de percentages staan waarin letters voorkomen in de Nederlandse taal: 7,9 1,4 1,0 5,8 19,4 0,6 3,0 3,7 6,1 2,1 2,5 3,7 2,4 N O P Q R S T U V W X Y Z 10,0 5,8 1,4 0,0 6,0 3,4 6,0 1,6 1,9 1,9 0,0 0,0 2,4 Deze manier van kraken kost veel tijd en het is ook een beetje proberen of er inderdaad goede zinnen uitkomen. Als de tekst een brief is, dan kan je bijvoorbeeld proberen eerst de plaatsnaam, die bovenaan de brief staat te kraken, en daarna de rest van de brief. Gelukkig kunnen computers snel de frequenties tellen en wordt frequentie-analyse vaak toegepast. Hoofdstuk 2 Poly-alfabetische substitutie Een poly-alfabetische substitutie is een manier van versleutelen waarbij binnen een tekst meerdere substituties voorkomen. De letter a wordt dus niet altijd naar een n versleuteld, maar steeds naar een andere letter. We bekijken 2 soorten poly-alfabetische substitutie. 2.1 De Vignere Methode Een variant op de Caesar code is door te versleutelen met behulp van een woord. Deze variant op de Caesar code ken je misschien van het jeugdboek Briefgeheim van Jan Terlouw. Deze variant is bedacht door Blaise de Vignere in de 16 de eeuw. Deze variant gaat als volgt te werk. De sleutel is bijvoorbeeld het woord getal. Deze sleutel wordt omgezet in de bijbehorende cijfers met behulp van de cijfercode, dat is in dit geval Om te coderen wordt de eerste letter uit het bericht 7 plaatsen verschoven, de tweede letter 5, de derde 20, de vierde 1, de vijfde 12, de zesde weer 7, de zevende 5 enzovoorts. Degene die het bericht ontvangt, kent het woord getal en hoeft dus alleen maar telkens het juiste aantal plaatsen terug te schuiven. Een hulpmiddel bij het coderen en het decoderen volgens de Vignere methode is de Vignere tabel. Deze tabel vind je op de volgende bladzijde. Blz. 8

9 De Vignere Tabel N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z N O P Q R S T U V W X Y Z B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L N O P Q R S T U V W X Y Z O P Q R S T U V W X Y Z N P Q R S T U V W X Y Z N O Q R S T U V W X Y Z N O P R S T U V W X Y Z N O P Q S T U V W X Y Z N O P Q R T U V W X Y Z N O P Q R S U V W X Y Z N O P Q R S T V W X Y Z N O P Q R S T U W X Y Z N O P Q R S T U V X Y Z N O P Q R S T U V W Y Z N O P Q R S T U V W X Z N O P Q R S T U V W X Y Om te coderen zoek je in de bovenste rij de letter die je wilt coderen. Zoek vervolgens in de linker kolom de letter uit de sleutel die je gebruikt om te coderen. Op het snijpunt van de rij en de kolom staat de gecodeerde letter. Om te decoderen zoek je in de linkerkolom de letter uit de sleutel die je gebruikt om te decoderen. Vervolgens zoek je in die rij de gecodeerde letter op. De letter bovenaan de kolom is nu de oorspronkelijke letter. 1) Codeer een zelf bedacht lang woord met behulp van een met je buurman/-vrouw afgesproken korte sleutel. Laat de spatie buiten beschouwing. Het woord is: De sleutel is: Het gecodeerde woord is: Blz. 9

10 2) Verzend het gecodeerde woord uit opdracht 2 aan je buurman/-vrouw en ontvang zijn/haar woord. Decodeer zijn/haar woord met behulp van de door jullie afgesproken sleutel. Het gecodeerde woord is: De sleutel is: Het gedecodeerde woord is: Je ziet dat het coderen en decoderen veel tijd kost. Op het internet zijn verschillende programma s te vinden die het coderen en decoderen voor jou doen. Bijvoorbeeld: Deze Vignere-methode werd ongeveer 300 jaar lang niet gekraakt. In 1863 bedacht Friedrich Kasiski een manier om de lengte van het sleutelwoord te achterhalen. Charles Babbage bedacht onafhankelijk van hem dezelfde methode. De methode werkt het beste bij grote teksten, maar we lichten hem hier toe met behulp van een korte tekst. We laten de spatie even buiten beschouwing. De methode gaat ervan uit dat in de oorspronkelijke tekst altijd herhalingen zitten. (Denk bijvoorbeeld aan woorden als de, een, dit, of een woord dat betrekking heeft op het onderwerp van de tekst enzovoorts.) De zin die we gebruiken om de methode toe te lichten is: De fietsen van de docenten staan in het fietsenhok. Je ziet dat er twee herhalingen zitten in deze oorspronkelijke zin. Stel nu dat we de zin coderen met de sleutel Paul. Dan krijgen we de volgende boodschap: Se ztttmpc vuy se xzrehetn mepah tc hye uiyehehsdk. Je ziet dat het woord se zich herhaald in de gecodeerde boodschap. Dit komt doordat de afstand tussen de twee de s in de oorspronkelijke tekst 12 is en doordat 12 een veelvoud is van de lengte (4) van het sleutelwoord. Stel nu dat we de zin coderen met de sleutel Frank. Dan krijgen we de volgende boodschap: Iv fvoyjea ffe dr ntteadje sgkfe ia rjk fvoyjeartb. Je ziet dat het woord fvoyjea zich herhaald in de gecodeerde boodschap. Dit komt doordat de afstand tussen de twee fietsen in de oorspronkelijke tekst 30 is en doordat 30 een veelvoud is van de lengte (5) van het sleutelwoord. Blz. 10

11 Stel nu dat we de zin coderen met de sleutel Nicole. Dan krijgen we de volgende boodschap: Qm hwpxfmp jlr qm fcniabgb dxnip wy lrb hwpxfmpvzo. Je ziet dat de woorden hwpxfmp en qm zich herhalen in de gecodeerde boodschap. Dit komt doordat de lengte van het sleutelwoord 6 is en zowel 12 als 30 een veelvoud zijn van 6. In voldoende grote teksten kan je de lengte van het sleutelwoord achterhalen, omdat daar genoeg herhalingen aanwezig zullen zijn. Je zoekt dus de herhalingen in de gecodeerde tekst en lengte van het sleutelwoord is dus een deler van de afstand tussen de herhalingen. Als je genoeg herhalingen hebt gevonden komen er vaak maar 1 of 2 mogelijke lengtes uit. Er zijn natuurlijk ook herhalingen ontstaan in de tekst, die toevallig zo ontstaan zijn. Deze neem je mee in de beschouwing en na verdere analyse laat je die dan meestal weer afvallen. Als je eenmaal de lengte van de sleutel gevonden hebt, dan kan je de letters van de gecodeerde boodschap in groepen verdelen, waarbij in elke groep dezelfde Caesar verschuiving is opgetreden. Door bijvoorbeeld frequentie-analyse is dan te achterhalen welke verschuiving er is opgetreden. Je kunt in het bovenstaande geval bijvoorbeeld ook door proberen te gokken dat het eerste woord de is, al een aantal letters verschuiven en dan proberen te achterhalen wat ernaast had kunnen staan. 3) Probeer met z n tweeën de lengte van het sleutelwoord te achterhalen van het volgende bericht. Probeer hierna de zin te kraken en het sleutelwoord te achterhalen. Ei doiwmi npqavxps fpsivfre ei wfrrui doiw. De oplossing is: 2.2 Het Vernam Systeem 4) Het Vernam systeem is in 1917 bedacht door Gilbert Vernam. Hij bedacht dat voor elk volgend symbool in de boodschap een andere letterverschuiving wordt gehanteerd. De sleutel is hier dus net zo lang als de boodschap zelf. Je kunt bijvoorbeeld als sleutel gebruiken de getallen 1, 3, 5, 7,. De eerste letter van de boodschap schuift 1 plaats op, de tweede 3 plaatsen, de derde 5 plaatsen enzovoorts. Codeer een zelf bedachte zin met behulp van een met je buurman/-vrouw afgesproken sleutel. Laat de spatie buiten beschouwing en let op dat de sleutel zo lang is als de boodschap. De zin is: De sleutel is: Blz. 11

12 5) Verzend het gecodeerde woord uit opdracht 4 aan je buurman/-vrouw en ontvang zijn/haar zin. Decodeer zijn/haar zin met behulp van jullie afgesproken sleutel. Het gecodeerde woord is: Het gedecodeerde woord is: Hoofdstuk 3 Tot slot Tijdens de tweede wereldoorlog versnelden de ontwikkelingen op het gebied van cryptografie. Toen in de jaren 70 de eerste computers ontstonden, werden alle tot dan toe bestaande codes gekraakt door de rekenkracht van de computers, die alle mogelijkheden konden nagaan. Er werden nieuwe methoden om te coderen en te decoderen bedacht. De bekendste daarvan zijn DES en RSA. DES is in 1974 ontwikkeld door IBM en RSA is in 1978 ontwikkeld door de wiskundigen Rivest, Shamman en Adleman. RSA is gebaseerd op het gebruik van grote priemgetallen van wel 200 cijfers lang. Uit hoe meer cijfers de priemgetallen bestaan, hoe moeilijker het systeem te kraken is. Om RSA en DES uit te leggen heb je iets meer tijd nodig dan een paar lessen. Hopelijk hebben jullie nu een idee gekregen van cryptografie en ook van wiskunde D. Deze lessenserie is gebaseerd op: Doeboek Cryptologie, Maurice Alberts en Joost Langeveld, vierkant voor wiskunde Masterclass cryptografie, Rene Swarttouw, vrije universiteit Blz. 12

13 Opdracht 2 van hoofdstuk 1 Bijlage: hulptabellen N O P Q R S T U V W X Y Z Spatie Opdracht 5 van hoofdstuk 1 y w n w m v d n v q m h j j m z v z j j m v x m p o p n v i v y w n n d P n Opdracht 6 van hoofdstuk 1 N O P Q R S T U V W X Y Z Opdracht 8 van hoofdstuk 1 N O P Q R S T U V W X Y Z Blz. 13